ÍNDICE GERAL CAPÍTULO 1 ENQUADRAMENTO E MOTIVAÇÃO DA DISSERTAÇÃO.... 1 1.1. Enquadramento... 1 1.2. Objectivos... 3 1.3. Organização... 4 CAPÍTULO 2 SUSTENTABILIDADE... 6 2.1. Desenvolvimento sustentável... 6 2.1.1. Alterações Climáticas... 7 2.1.2. Metas para atingir a sustentabilidade... 9 2.2. A Energia... 11 2.2.1. Caracterização do sector energético... 13 2.3. Sector dos Edifícios... 16 2.3.1. Caracterização do Sector dos Edifícios em Portugal... 17 2.3.2. Consumo Energético dos Edifícios... 18 CAPÍTULO 3 TÉRMICA DOS EDIFÍCIOS... 23 3.1. Conforto Térmico... 23 3.1.1. Mecanismos de Regulação Térmica do Corpo Humano... 24 3.1.2. Balanço Energético... 26 3.1.3. Cálculo da Temperatura de Conforto... 27 3.1.4. Propostas para a Actualização das Normas de Conforto... 30 3.2. Balanço Térmico... 34 3.2.1. Mecanismos de Transmissão de Calor... 34 3.2.2. Trocas de Calor nos Edifícios... 36 3.2.3. Novos métodos para Estimar o Coeficiente U... 38 3.3. Isolamento Térmico... 39 3.3.1. Funções dos Isolantes Térmicos... 39 3.3.2. Classificação dos Isolantes Térmicos... 40 3.3.3. Espessura Óptima dos Isolantes Térmicos... 40 3.4. Humidade nos Edicícios... 42 3.4.1. Cálculo das Condensações nos Edifícios... 44 3.5. Pontes Térmicas... 47 3.5.1. Avaliação das Pontes Térmicas... 48 3.6. Inércia Térmica... 49 3.6.1. Avaliação da Inércia Térmica... 49 3.7. Ventilação... 51 3.7.1. Ventilação para a Qualidade do Ar Interior... 52 3.7.2. Ventilação para o Conforto Térmico... 53 3.7.3. Ventilação para a Prevenção de Condensações... 54 3.7.4. Mecanismos Impulsionadores da Ventilação... 55 3.7.5. Infiltrações... 57 3.6.6. A Ventilação Natural... 58 3.8. Iluminação... 60 3.7.1. Princípios da Iluminação... 61 3.7.2. Iluminação Natural Vs Artificial... 64 ix
Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE 3.7.3. Princípios da Iluminação Natural... 65 3.7.4. Princípios da Iluminação Artificial... 68 3.7.5. Sistema de Iluminação Eficiente... 69 CAPÍTULO 4 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DOS EDIFÍCIOS... 71 4.1. Performance dos Edifícios... 71 4.1.1. Sistema de Avaliação da Performance de Edifícios... 73 4.2. Ferramentas de Simulação... 76 4.2.1. Precisão das Ferramentas de Simulação... 78 4.2.2. Execução de Modelos... 80 4.2.3. Dados Climáticos... 82 4.2.4. Desafios e Limitações das Ferramentas de Simulação... 85 4.2.5. Novas Aplicações das Ferramentas de Simulação... 90 4.3. Regulamentação Térmica... 94 4.3.1. RCCTE... 96 4.3.2. RSECE... 98 4.3.3. SCE... 101 4.3.4. Programas de Incentivos... 102 4.4. Soluções Energeticamente Eficientes... 104 4.4.1. Forma e Orientação do Edifício... 104 4.4.2. Sistemas Solares Passivos para Aquecimento... 105 4.4.3. Sistemas Passivos para Arrefecimento... 108 4.4.4. Considerações sobre algumas Soluções... 111 4.4.5. Integração de Soluções Energeticamente Eficientes... 120 4.4.6. Análise da Performance de Edifícios Sustentáveis na Europa... 123 4.5. Reabilitação de Edifícios... 124 4.4.1. A Reabilitação em Portugal... 127 4.4.1. Ferramentas de Avaliação da Reabilitação... 128 CAPÍTULO 5 PREVISÃO DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DOS EDIFÍCIOS... 130 5.1. RCCTE... 130 5.1.1. Estrutura do RCCTE... 131 5.1.2. Metodologias de Avaliação da Performance Térmica do RCCTE.. 136 5.2. VISUALDOE... 148 5.2.1. Introdução dos Dados do Projecto... 150 5.2.2. Execução da Simulação... 156 5.2.3. Análise de Resultados... 158 CAPÍTULO 6 CASO DE ESTUDO... 162 6.1. Introdução ao Caso de Estudo... 162 6.1.1. Células de Teste... 163 6.1.2. Instrumentação das Células de Teste... 167 6.2. Aplicação do RCCTE ao Caso de Estudo... 168 6.2.1. Cálculo das Necessidades de Aquecimento... 171 6.2.2. Cálculo das Necessidades de Arrefecimento... 172 6.3. Aplicação do VisualDoe ao Caso de Estudo... 173 6.3.1. Introdução dos Dados das Células de Teste... 174 6.3.2. Execução da Simulação das Células de Teste... 176 6.3.3. Calibração do Modelo das Células de Teste... 178 x Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva
CAPÍTULO 7 RESULTADOS E CONCLUSÕES... 182 7.1. Resultados Pretendidos... 182 7.2. Análise de Dados Obtidos in-situ... 183 7.2.1. Análise de Dados Primavera... 183 7.2.2. Análise de Dados Verão... 185 7.2.3. Análise de Dados Outono... 186 7.2.4. Análise de Dados Inverno... 188 7.2.5. Comparação da Performance dos Compartimentos... 189 7.3. Análise de Dados Obtidos com a Aplicação do RCCTE... 190 7.3.1. Necessidades de Aquecimento... 190 7.3.2. Necessidades de Arrefecimento... 191 7.3.2. Comparação da Performance dos Compartimentos... 191 7.4. Análise de Dados Obtidos com a Aplicação do VisualDOE... 192 7.4.1. Análise da Performance da Células de Teste... 196 7.4.2. Comparação com os Resultados Obtidos no RCCTE... 199 CAPÍTULO 8 CONCLUSÕES E EXPECTATIVAS FUTURAS... 201 8.1. Conclusões... 201 8.2. Expectativas Futuras... 204 ANEXO I FICHEIRO CLIMÁTICO DO VISUALDOE... 206 AI.1. Preparação do Ficheiro Climático... 206 AI.1.1. Obtenção dos Parâmetros... 207 AI.2. Geração do Ficheiro Climático... 211 ANEXO II COEFICIENTE DE CONDUTIBILIDADE TÉRMICA IN-SITU... 213 AII.1. Justificação... 213 AII.2. Método Utilizado... 214 AII.3. Aplicação às Células de Teste... 217 BIBLIOGRAFIA... 220 xi
Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE ÍNDICE DE FIGURAS CAPÍTULO 2 Figura 2.1 Chicago 1995, fotografia de Gary Braasch... 7 Figura 2.2 Efeito das alterações climáticas nos glaciares... 8 Figura 2.3 Consumo de Energia Final em 2002 [tep/pessoa]... 13 Figura 2.4 Emissão de CO2 em 2002 [t CO2/pessoa]... 14 Figura 2.5 Consumo de Electricidade em 2002 [kwh/pessoa]... 14 Figura 2.6 Consumo de Energia Final por Sector em Portugal... 15 Figura 2.7 Utilização de Energias Renováveis por Sector em Portugal... 15 Figura 2.8 Distribuição dos consumos energéticos no Sector dos edifícios em Portugal... 18 Figura 2.9 Habitação sustentável com princípios bioclimáticos... 20 CAPÍTULO 3 Figura 3.1 Balanço térmico no corpo humano... 27 Figura 3.2 Valor Médio do factor de forma entre uma pessoa sentada e uma superfície horizontal ou vertical quando a pessoa pode ser rodada sobre um eixo vertical... 28 Figura 3.3 Zonas de conforto para o Verão e Inverno.... 29 Figura 3.4 Temperatura resultante óptima de conforto... 30 Figura 3.5 - Temperatura de Conforto em edifícios climatizados... 32 Figura 3.6 - Temperatura de Conforto em edifícios não-climatizados.... 32 Figura 3.7 - Mecanismos de transmissão de Calor em edifícios... 35 Figura 3.8 Balanço energético no edifício... 38 Figura 3.9 Determinação da espessura óptima de isolamento... 42 Figura 3.10 Temperatura interior de uma parede com isolamento térmico... 43 Figura 3.11 Verificação de condensações superficiais... 45 Figura 3.12 Perfil de humidade para uma parede dupla... 46 Figura 3.13 Fluxo de calor ao longo de um elemento de construção... 47 Figura 3.14 Variação da temperatura superficial de uma parede ao longo de um dia... 51 Figura 3.15 Ventilação nos edifícios... 52 Figura 3.16 Altura do nível de pressão neutra... 56 Figura 3.17 Design para a ventilação natural.... 60 Figura 3.18 Combinação dos componentes do ambiente visual... 61 Figura 3.19 Funcionamento de envidraçados electrocrómicos... 66 Figura 3.20 Algumas soluções para a iluminação natural... 67 Figura 3.21 Fluxo energético em lâmpadas incandescentes.... 68 Figura 3.22 - Fluxo energético em lâmpadas de Descarga gasosa.... 68 Figura 3.23 Área de envidraçado ideal em relação à área da fachada... 70 CAPÍTULO 4 Figura 4.1 Simulação do fluxo de calor numa caixilharia de PVC.... 77 Figura 4.2 Software RUNEOLE para geração de ficheiros climáticos... 85 Figura 4.3 implementação do modelo de térmica e ventilação..... 91 xii Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva
Figura 4.4 Zonamento climático no novo RCCTE... 98 Figura 4.5 Exemplo do modelo de cálculo do Índice de Eficiência Energética.... 100 Figura 4.6 Certificado Energético dos Edifícios... 101 Figura 4.7 - Ilustração da ferramenta online para obtenção do subsídio... 103 Figura 4.8 Sistema solar passivo de ganho directo com armazenamento térmico.... 107 Figura 4.9 Sistema solar passivo de ganho indirecto Parede de Trombe... 107 Figura 4.10 Sistema solar passivo de ganho isolado Termo-sifão... 107 Figura 4.11 Arrefecimento radiativo sistema com isolamento de tecto amovível... 109 Figura 4.12 Sistema de ventilação de conforto diurna ventilação cruzada.... 110 Figura 4.13 Arrefecimento evaporativo roof-spaying... 110 Figura 4.14 potencial de poupança energética pela aplicação da ventilação em Portugal.... 112 Figura 4.15 configurações de paredes-asa..... 113 Figura 4.16 - Tubagem de Luz Horizontal... 116 Figura 4.17 Esquema de sistema Caldeira + Armazenador Térmico... 119 Figura 4.18 Introdução de soluções energeticamente eficientes... 121 Figura 4.19 Eficiência energética de edifícios bioclimáticos... 124 Figura 4.20 Eficiência energética da Solução de ganho directo... 124 Figura 4.21 causas da deterioração dos edifícios e seu peso.... 127 CAPÍTULO 5 Figura 5.1 Exemplo do cálculo do coeficiente de transmissão térmica linear (ϕ ) de uma ponte térmica... 139 Figura 5.2 Configuração do separador decimal no Windows... 149 Figura 5.3 Diagrama de fluxo de informação do VisualDOE... 150 Figura 5.4 Definição das unidades a utilizar no VisualDOE... 151 Figura 5.5 Definição das componentes da base de dados de vãos envidraçados do VisualDOE... 152 Figura 5.6 VisualDOE, Pasta Projecto... 153 Figura 5.7 VisualDOE, Pasta Blocos... 154 Figura 5.8 VisualDOE, Pasta Compartimentos... 154 Figura 5.9 VisualDOE, Pasta Envolvente... 155 Figura 5.10 VisualDOE, Pasta Sistemas de Climatização... 156 Figura 5.11 VisualDOE, Pasta Zonas... 156 Figura 5.12 Ficheiro de input do DOE-2.1E... 158 Figura 5.13 VisualDOE Diagnóstico. Pasta Zonas e Sistemas de Climatização... 159 Figura 5.14 VisualDOE Gráficos... 160 CAPÍTULO 6 Figura 6.1 Localização das Células de Teste na Escola de Engenharia, Universidade do Minho.... 163 xiii
Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE Figura 6.2 Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste Convencional... 164 Figura 6.3 Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste Convencional... 165 Figura 6.4 Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste tipo Passys.... 167 Figura 6.5 Estação meteorológica.... 167 Figura 6.6 Planta com a disposição dos sensores de temperatura superficial.... 168 Figura 6.7 Data-Logger das Células de Teste.... 168 Figura 6.8 Células de Teste com estufa (foto da esquerda) e sem estufa (foto da direita)... 169 Figura 6.9 Folha de cálculo de Excel para obtenção do coeficiente de condutibilidade térmica.... 170 Figura 6.10 Definição da Envolvente das Células de Teste.... 176 Figura 6.11 Adição de materiais no Ficheiro de Input do VisualDOE.... 177 Figura 6.12 Alteração de elementos construtivos no Ficheiro de Input do VisualDOE.... 177 Figura 6.13 Definição da inércia térmica dos compartimentos.... 178 Figura 6.14 Gráfico comparando a temperatura interior medida in-situ e a obtida pelo VisualDOE na 1ª versão da simulação... 180 Figura 6.15 Gráfico comparando a temperatura interior medida in-situ e a obtida pelo VisualDOE na 26ª versão da simulação... 180 CAPÍTULO 7 Figura 7.1 Humidade relativa entre 14 a 20 de Maio, divisória fechada.... 184 Figura 7.2 Temperatura resultante entre 14 a 20 de Maio, divisória fechada.... 184 Figura 7.3 Humidade relativa entre 15 a 20 de Setembro, divisória aberta... 185 Figura 7.4 Temperatura resultante entre 15 a 20 de Setembro, divisória aberta.... 186 Figura 7.5 Humidade relativa entre 12 a 16 de Novembro, divisória fechada.... 187 Figura 7.6 Temperatura resultante entre 12 a 16 de Novembro, divisória fechada.... 187 Figura 7.7 Humidade relativa entre 17 a 23 de Janeiro, divisória aberta... 188 Figura 7.8 Temperatura resultante entre 17 a 23 de Janeiro, divisória aberta.... 188 Figura 7.9 Temperatura interior da CTnC Sul, entre 10 a 16 de Novembro. 193 Figura 7.10 Temperatura interior da CTnC Norte, entre 1 a 7 de Janeiro... 193 Figura 7.11 Temperatura interior da CTC entre 9 a 14 de Fevereiro... 193 Figura 7.12 Temperatura interior da CTP entre 11 a 17 de Outubro... 194 Figura 7.13 Temperatura interior da CTnC Sul, entre 8 a 14 de Setembro... 194 Figura 7.14 Temperatura interior da CTnC Norte, entre 18 a 24 de Junho.. 195 Figura 7.15 Temperatura interior da CTC entre 21 a 27 de Agosto... 195 Figura 7.16 Temperatura interior da CTP entre 6 a 12 de Junho... 195 xiv Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva
ANEXO I Figura AI.1 Folha de cálculo utilizada para obter os parâmetros necessários para o ficheiro climático.... 211 Figura AI.2 Organização de parâmetros de forma a gerar um ficheiro climático... 211 Figura AI.3 Ultimação do ficheiro climático para o VisualDOE... 212 Figura AI.4 Ferramenta de conversão do VisualDOE para o ficheiro climático.... 212 ANEXO II Figura AII.1 Sensor de fluxo de calor e temperatura superficial interior instalados na Célula de Teste Convencional... 215 Figura AII.2 Sensor de temperatura superficial exterior instalado na Célula de Teste não Convencional... 215 Figura AII.3 Distribuição dos sensores de fluxo de calor nas Células de Teste.... 217 xv
Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE ÍNDICE DE TABELAS CAPÍTULO 2 Tabela 2.1 Taxionomia do desenvolvimento sustentável... 9 Tabela 2.2 Consumo de Energia Final em 2002... 13 Tabela 2.3 Consumo de Electricidade e emissões de CO2 em 2002... 14 Tabela 2.4 Caracterização do Sector Energético em Portugal... 15 CAPÍTULO 3 Tabela 3.1 Actividade Metabólica correspondente a várias acções... 24 Tabela 3.2 Isolamento típico de algumas combinações de vestuário... 25 Tabela 3.3 Classificação de alguns isolamentos térmicos... 40 Tabela 3.4 Variação da pressão de vapor ao longo de uma parede... 46 Tabela 3.5 Cálculo do amortecimento e atraso térmico para uma parede.. 50 Tabela 3.6 Concentração admissível de alguns poluentes... 53 Tabela 3.7 Iluminância recomendada por tarefa visual... 62 Tabela 3.8 Iluminância recomendada por zona do edifício... 62 Tabela 3.9 Reflectância das superfícies recomendada... 63 Tabela 3.10 Razão de luminâncias recomendada... 63 Tabela 3.11 FLD recomendado para alguns tipos de espaços... 64 Tabela 3.12 Propriedades de algumas fontes luminosas artificiais... 69 CAPÍTULO 4 Tabela 4.1 Tempo e custo de um diagnóstico de eficiência energética de um edifício... 75 Tabela 4.2 Classificação das formas existentes para determinar bases de dados meteorológicas... 82 Tabela 4.3 Limites e forma de obter os consumos energéticos no RSECE... 100 Tabela 4.4 Ciclo de vida de alguns componentes dos edifícios... 126 CAPÍTULO 5 Tabela 5.1 Tempo e custo de um diagnóstico de eficiência energética de um edifício... 138 Tabela 5.2 Ganhos térmicos internos médios por tipo de edifícios... 140 Tabela 5.3 Factor de Orientação... 141 Tabela 5.4 Energia solar média incidente por zona climática... 141 Tabela 5.5 Factor de fracção envidraçada... 142 Tabela 5.6 Coeficiente de absorção de superfícies exteriores... 145 Tabela 5.7 Temperatura média (Tm) e intensidade da radiação solar (Ir) para a estação de arrefecimento... 146 Tabela 5.8 Factor correcção da selectividade angular, para o caso do Verão (Fw)... 147 xvi Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva
CAPÍTULO 6 Tabela 6.1 Elementos construtivos da CTnC... 165 Tabela 6.2 Elementos construtivos da CTP... 166 Tabela 6.3 Área útil e pé-direito das Células de Teste... 171 Tabela 6.4 Perdas Térmicas das Células de Teste no Inverno... 171 Tabela 6.5 Ganhos Térmicos das Células de Teste no Inverno... 172 Tabela 6.6 Perdas Térmicas das Células de Teste no Verão... 172 Tabela 6.7 Perdas Térmicas das Células de Teste no Verão... 173 Tabela 6.8 Parâmetros do ficheiro climático para o VisualDOE.... 174 CAPÍTULO 7 Tabela 7.1 Necessidades de aquecimento para as CT... 190 Tabela 7.2 Necessidades de arrefecimento para as CT... 191 Tabela 7.3 Necessidades energéticas anuais para as CT... 192 Tabela 7.4 Erros obtidos com a simulação no VisualDOE das CT sem estufa 194 Tabela 7.5 Erros obtidos com a simulação no VisualDOE das CT com estufa196 Tabela 7.6 Energia consumida pelas Células de Teste, caso base... 196 Tabela 7.7 Energia consumida pelas Células de Teste, primeira alternativa. 197 Tabela 7.8 Energia consumida pelas Células de Teste, segunda alternativa.... 198 Tabela 7.9 Energia total consumida pelas Células de Teste, terceira alternativa... 199 Tabela 7.10 Comparativo entre necessidades energéticas das CT obtidas pelo RCCTE e pelo VisualDOE...200 ANEXO I Tabela AI.1 Parâmetros necessários do ficheiro climático para o VisualDOE.... 206 Tabela AI.2 Conversão de Unidades.... 207 ANEXO II Tabela AII.1 Intervalos de dados utilizados para o cálculo da Resistência Térmica in-situ... 218 Tabela AII.2 Verificação da variação da Resistência térmica por intervalo de dados...218 Tabela AII.3 Teste de variância e convergência para os valores calculados da Resistência Térmica in-situ... 218 xvii